جریان متناوب(AC) و جریان مستقیم (DC)

تعریف جریان(dc)

جریان مستقیم (DC یا جریان پیوسته)، عبور پیوسته جریان الکتریسیته از یک هادی نظیر یک سیم از پتانسیل بالا به پتانسیل کم است. در جریان مستقیم، بار الکتریکی همواره در یک جهت عبور می کند که این امر جریان مستقیم را از جریان متناوب (AC) متمایز می کند. در واقع جریان مستقیم ابتدا برای انتقال توان الکتریکی پس از کشف تولید الکتریسیته در اواخر قرن ۱۹ توسط توماس ادیسون بکار رفت.

امروزه استفاده از جریان مستقیم برای این منظور غالباً کنار گذاشته شده است، چرا که جریان متناوب (که توسط نیکلا تسلا کشف و توسعه داده شده ) برای انتقال در طول خطوط بلند بسیار مناسب تر است (جنگ جریان ها را مشاهده کنید). هنوز هم انتقال توان DC برای اتصال شبکه های توان AC با فرکانس های مختلف به هم، بکار می رود.

عموماً در بسیاری از کاربرد های کم ولتاژ استفاده می شود، خصوصاً در جایی که انرژی از طریق باتری ها تامین می شود که تنها می توانند ولتاژ DC تولید کنند. اکثر سیستم های خودکار، از DC استفاده می کنند. اگرچه که ژنراتور یک وسیله AC است که از یک یکسو کننده برای تولید DC استفاده می کند. اغلب مدارات الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه DC دارند. با وجود اینکه DC مخفف جریان مستقیم است اما کلاً به ولتاژهای با پلاریته ثابت، DC گفته می شود. برخی از انواع DC دارای تغییرات ولتاژ زیادی هستند، مانند خروجی دست نخورده یک یکسوساز. با عبور این خروجی از یک فیلتر RC پایین گذر، ولتاژ پایدار تری حاصل می شود. معمولاً به دلیل ولتاژهای بسیار پایین بکار رفته در سیستم های جریان مستقیم، نصب آنها نیازمند پریزها، کلیدها و لوازم ثابت متفاوتی از آنچه که برای جریان متناوب به کار می رود است. در یک وسیله جریان مستقیم این نکته بسیار مهم است که پلاریته آنرا معکوس وصل نکنیم، مگر اینکه وسیله داری یک پل دیودی برای اصلاح این امر باشد. (که اکثر دستگاه های عمل کننده با باتری این امکان را ندارند.) امروزه (سال ۲۰۰۰م) گرایشاتی در جهت سیستم های انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) ایجاد شده است. همچنین DC در سیستم های برق خورشیدی که توسط باتری های خورشیدی تغذیه می شوند، به کارمی رود.

● تعریف جریان متناوب(AC)

یک جریان متناوب (AC ) جریان الکتریکی ای است که در آن اندازه جریان به صورت چرخه ای تغییر می کند، بر خلاف جریان مستقیم که در آن اندازه جریان مقدار ثابتی می ماند. شکل موج معمول یک مدار AC عموماً یک موج سینوسی کامل است چرا که این شکل موج منجر به انتقال انرژی به موثرترین صورت می شود. اما به هر حال در کاربردهای خاص، شکل موج های متفاوتی نظیر مثلثی یا مربعی نیز استفاده می شود.

● تاریخچه

توان الکتریکی با جریان متناوب، نوعی از انرژی الکتریکی است که برای تغذیه تجاری الکتریسیته به عنوان توان الکتریکی، از جریان متناوب استفاده می کند. ویلیام استنلی جی آر کسی است که یکی از اولین سیم پیچ های عملی را برای تولید جریان متناوب طراحی کرد. طراحی وی یک صورت ابتدایی ترانسفورماتور مدرن بود که یک سیم پیچ القایی نامیده می شد. از سال ۱۸۸۱م تا ۱۸۸۹م سیستمی که امروزه استفاده می شود، توسط نیکلا تسلا، جرج وستینگهاوس، لوییسین گاولارد، جان گیبس و الیور شالنجر طراحی شد. سیستمی که توماس ادیسون برای اولین بار برای توزیع تجاری الکتریسیته بکار برد، به دلیل استفاده از جریان مستقیم محدودیت های داشت که در این سیستم برطرف شد. اولین انتقال جریان متناوب در طول فواصل بلند در سال ۱۸۹۱م نزدیک تلورید کلورادو اتفاق افتاد که چند ماه بعد در آلمان ادامه پیدا کرد. توماس ادیسون به علت اینکه حقوق انحصاری اختراعات متعددی را در فن آوری جریان مستقیم «DC» داشت، استفاده از جریان مستقیم را، به شدت حمایت می کرد اما در نهایت جریان متناوب به عرصه استفاده عمومی آمد (جنگ جریان ها را مشاهده کنید). چارلز پروتیوس استینمتز از جنرال الکتریک بسیاری از مشکلات مرتبط با تولید الکتریسیته و انتقال آن را با استفاده از جریان متناوب حل کرد.

● توزیع برق و تغذیه خانگی

بر خلاف جریان DC، جریان AC را می توان توسط یک ترانسفورماتور به سطوح مختلف ولتاژی انتقال داد. هر چه میزان ولتاژ افزایش یابد، انتقال توان هم موثرتر صورت خواهد گرفت. افزایش میزان قابلیت انتقال توان به علت قانون اهم است، تلفات انرژی الکتریکی وابسته به عبور جریان از یک هادی است. تلفات توان به علت جریان توسط رابطه P=I^۲*R محاسبه می شود، بنابراین اگر جریان دو برابر شود، تلفات چهار برابر خواهد شد. با استفاده از ترانسفورماتور، ولتاژ را می توانیم به یک ولتاژ بالا افزایش دهیم تا بتوانیم توان را در طول فواصل بلند در سطح جریان پایین انتقال داده و در نتیجه تلفات کاهش یابد. سپس می توانیم ولتاژ را دوباره به سطحی که برای تغذیه خانگی بی خطر باشد، کاهش دهیم. تولید الکتریکی سه فاز بسیار عمومی است و استفاده ای موثرتر از ژنراتورهای تجاری را برای ما ممکن می سازد. انرژی الکتریکی توسط چرخش یک سیم پیچ داخل یک میدان مغناطیسی در ژنراتورهای بزرگ و با هزینه بالا ایجاد می شود. اما به هر حال جای دادن سه سیم پیچ جدا روی یک محور (بجای یک سیم پیچ)، هم نسبتاً آسان و هم مقرون به صرفه است. این سیم پیچ ها روی محور ژنراتورها نصب شده اند اما از نظر فیزیکی جدا اند و دارای یک اختلاف زاویه ۱۲۰ درجه ای نسبت به هم هستند. سه شکل موج جریان تولید می شود که دارای اختلاف فاز ۱۲۰ درجه ای نسبت به هم، اما اندازه های یکسان هستند. توزیع الکتریسیته سه فاز بطور وسیعی در ساختمان های صنعتی و توزیع الکتریسیته تک فاز در محیط های خانگی بکار می رود. نوعاً یک ترانسفورماتور سه فاز ممکن است مسیرهای مختلفی را با یک فاز متفاوت برای بخش های مختلف هر مسیر، تغذیه کند.

سیستم های سه فاز به گونه ای طراحی شده اند که در محل بار متعادل باشند، اگر باری به طور صحیح متعادل شده باشد، جریانی از نقطه خنثی عبور نخواهد کرد. این بدین مفهوم است که می توان جریان را تنها با سه کابل به جای شش کابل که در غیر این صورت مورد نیاز است، انتقال داد. گفتنی است که برق سه فاز در واقع نوعی از سیستم چند فازه است. در بسیاری از موارد تنها یک تک فاز برای تغذیه ی روشنایی خیابان ها یا مصرف کننده های خانگی مورد نیاز است. وقتی که یک سیستم توان الکتریکی سه فاز داریم، یک کابل چهارمی که خنثی است را در توزیع خیابانی قرار می دهیم تا برای هر خانه یک مدار کامل را فراهم کنیم «یعنی هر خانه می تواند از یکی از کابل های فاز و کابل خنثی برای مصرف استفاده کند». خانه های مختلف در خیابان از فازهای مختلف استفاده می کنند یا وقتی که مصرف کننده های زیادی به سیستم متصلند، آنها را به صورت مساوی در طول سه فاز پخش می کنند تا بار روی سیستم متعادل شود. بنابراین کابل تغذیه هر خانه معمولاً تنها شامل یک هادی فاز و نول و احتمالاً با یک پوشش آهنی زمین شده، است.

برای اطمینان یک سیم سومی هم اغلب بین هر یک از وسایل الکتریکی در خانه و صفحه سوییچ الکتریکی اصلی یا جعبه فیوز وصل می شود. این سیم سوم در انگلستان و اکثر کشورهای انگلیسی زبان سیم earthو در آمریکا سیم groundخوانده می شود. در صفحه سوییچ اصلی سیم earth را به سیم نول و نیز به یک تیرک متصل به زمین یا هر نقطه earthدر دسترس (برای آمریکایی ها نقطه ground ) نظیر لوله آب، متصل می کنند. در صورت وقوع خطا، سیم زمین می تواند جریان کافی را برای راه اندازی یک فیوز و جدا کردن مدار دارای خطا، از خود عبور دهد. همچنین اتصال زمین به این مفهوم است که ساختمان مجاور دارای ولتاژی برابر ولتاژ نقطه خنثی است. شایع ترین نوع خطای الکتریکی (شوک) در صورتی رخ می دهد که شی ای (معمولاً یک نفر) بطور تصادفی بین یک هادی فاز و زمین، مداری تشکیل دهد. در این صورت یک جریان خطا از فاز به زمین ایجاد می شود که به جریان پس ماند معروف است. یک مدار شکن جریان پس ماند طراحی شده است تا چنین مشکلی را شناسایی کند و مدار را قبل از اینکه شوک الکتریکی منجر به مرگ شود، قطع کند. در کاربرد های صنعتی (سه فاز) بسیاری از قسمت های مجزای سیستم خنثی به زمین متصلند که این امر موجب می شود تا جریان های کوچک زمین، که همواره بین یک ژنراتور و یک مصرف کننده (بار) در حال عبور هستند را متعادل کند. این سیستم زمین کردن این اطمینان را به ما می دهد که اگر خطایی رخ دهد، جریانی که از نقطه خنثی می گذرد به یک سطح قابل کنترل محدود شده باشد. این روش به سیستم خنثی زمین چندگانه معروف است.

● فرکانس های AC در کشورها

اکثر کشورهای جهان سیستم های الکتریکی شان را روی یکی از دو فرکانس ۶۰ و ۵۰ هرتز استاندارد کرده اند. لیست کشورهای ۶۰ هرتز که اغلبشان در دنیای جدید قرار دارند کوتاه تر است اما نمی توان گفت که ۶۰ هرتز کمتر معمول است. کشورهای ۶۰ هرتز عبارتند از: ساموای امریکا، آنتیگوا و باربودا، آروبا، باهاماس، بلیز، برمودا، کانادا، جزایر کیمان، کلمبیا، کاستاریکا، کوبا، جمهوری دمونیکن، السالوادور، پلینسیای فرانسه، گوام، گواتمالا، گیانا، هاییتی، هندوراس، کره جنوبی، لیبریا، جزایر مارشال، مکزیک، میکرونسیا، مونت سرات، نیکاراگویه، جزایر ماریانای شمالی، پالایو، پاناما، پرو، فیلیپین، پرتوریکو، ساین کیتس و نویس، سورینام، تایوان، ترینیداد توباگو، جزایر ترکس و کیاکوس، ایالات متحده، ونزولا، جزایر ویرجین، جزیره ویک. این کشورها دارای سیستم هایی با فرکانس مختلط ۶۰ و ۵۰ هرتز اند: بحرین، برزیل(اغلب فرکانس ۶۰) ، ژاپن (فرکانس ۶۰ هرتز در زمان حضور غربی ها). اغلب کشورها بگونه ای استاندارد تلویزیون شان را انتخاب کرده اند که با فرکانس خطوط برق شان متناسب باشد. استاندارد NTSCبرای کار با فرکانس خطوط برق ۶۰ هرتز طراحی شده است در حالیکه PALو SECAMبرای فرکانس خطوط ۵۰ هرتز طراحی شده است اما نسخه ۶۰ هرتز PALهم وجود دارد، برای مثال در برزیل PAL-Mارایه دهنده وضوح PALو چشمک تصویر پایین NTSCاست. عموماً این مطلب پذیرفته شده است که نیکلا تسلا فرکانس ۶۰ هرتز را به عنوان کمترین فرکانسی که منجر به عدم بروز پدیده چشمک زنی قابل مشاهده در روشنایی های خیابان ها می شد، انتخاب کرد. توان ۲۵ هرتز بیش از آنی که در آبشار نیاگارا تولید شود، در اونتاریو و آمریکای شمالی استفاده می شده است. هنوز هم ممکن است برخی از ژنراتورهای ۲۵ هرتز در آبشار نیاگارا مورد استفاده واقع شوند. فرکانس پایین طراحی موتورهای الکتریکی کم سرعت را ساده می سازد و می توان آنرا به صورت بهتر و موثرتری تولید کرده و انتقال داد، اما منجر به چشمک زنی قابل ملاحظه ای در روشنایی ها می شود. کاربرد های ساحلی و دریایی ممکن است گاهاً فرکانس ۴۰۰ هرتز را به علت مزیت های مختلف فنی مورد استفاده قرار دهند. برق ۶۷/۱۶ هرتزی هم هنوز در برخی از سیستم های راه آهن اروپا مانند سوئد به چشم می خورد.

● ریاضیات ولتاژهای AC

جریان های متناوب عموما با ولتاژهای متناوب مرتبط اند. یک ولتاژ AC، V را می توان به صورت ریاضی مانند یک تابع از زمان توسط معادله زیر نمایش داد: که در آن A، اندازه بر حسب ولت است (همچنین ولتاژ پیک خوانده می شود) &#۹۶۹;، فرکانس زاویه ای بر حسب رادیان بر ثانیه و t، زمان بر حسب ثانیه است. به دلیل اینکه فرکانس زاویه ای برای ریاضی دانان بیش از مهندسین جذاب است، این معادله معمولاً به صورت زیر نوشته می شود: که در آن f، فرکانس بر حسب هرتز است. مقدار پیک به پیک یک ولتاژ AC به صورت اختلاف بین پیک مثبت و منفی این ولتاژ تعرف می شود.

به دلیل اینکه حداکثر ولتاژ sin(x) ، ۱+ و حداقل مقدار آن ۱- است، یک ولتاژ AC بین +A و A – نوسان می کند. بنابراین ولتاژ پیک به پیک که به صورت VP-P نوشته می شود، برابر (+A)-(-A) = ۲×Aخواهد بود.

اندازه یک ولتاژ AC معمولاً به صورت یک مقدار ریشه میانگین مجذور (rms) بیان می شود که Vrms نوشته می شود. برای یک ولتاژ سینوسی داریم: Vrms در محاسبه توانای که توسط یک بار الکتریکی مصرف شده، مفید است. اگر یک ولتاژ مستقیم VDC یک توان P را به یک بار داده شده ارایه دهد، آنگاه یک ولتاژ متناوب با Vrms در صورتی همان توان را به بار مشابه ارایه می دهد که Vrms = VDC. برای توضیح این مفهوم، خطوط برق ۲۴۰ ولتی متناوب را در انگلیس تصور کنید.

دلیل نام این خطوط این است که مقدار rms آن (حداقل بطور نامی) ۲۴۰ ولت است. بدین مفهوم که این خطوط همان اثر گرمایی را دارند که ولتاژ DC ۲۴۰ ولتی دارد. برای محاسبه ولتاژ پیک (اندازه)، می توانیم معادله بالا را به این معاله تغییر دهیم: برای ولتاژ AC ۲۴۰ ولتی، ولتاژ پیک یا A برابر ۲۴۰ V × √۲ = ۳۳۹ V (تقریبا) است.

ولتاژ پیک به پیک خطوط ۲۴۰ ولتی حتی از این هم بیشتر است: ۲ × ۲۴۰ V × √۲ = ۶۷۹ V (تقریبا). اتحادیه اروپا (شامل انگلیس) اکنون یک تغذیه ۲۳۰ ولتی و ۵۰ هرتزی را بین کشورهای خود، هم آهنگ کرده است.